Мартеновская печь (рисунок 22) имеет рабочее плавильное пространство, ограниченное снизу подиной, сверху сводом, а с боков передней и задней стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. Футеровка печи может быть основной или кислой. Если в процессе плавки в шлаке преобладают основные окислы, процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые шлаки, процесс называют кислым. Основную мартеновскую печь футеруют магнезитовым кирпичом, а кислую – динасовым кирпичом.
В передней стенке печи имеются загрузочные окна для подачи шихты, а в задней – отверстие для выпуска готовой стали. Современные мартеновские печи имеют емкость 200 – 900 тонн жидкой стали.
Принцип работы мартеновской печи представлен на рисунке 22 в положении подачи топлива и воздуха с правой стороны и отвода продуктов сгорания через левые каналы. Проходя через предварительно нагретые насадки регенераторов (воздух через воздушный регенератор, газ через газовый), воздух и газ нагреваются до 1000 – 1200 °C и в нагретом состоянии через головку попадают в печь. При сгорании топлива образуется факел с температурой 1800 – 1900 °C. Пройдя головку расположенную в противоположной стороне печи, раскаленные продукты сгорания направляются в другую пару насадок регенераторов, отдавая тепло им, и уходят в дымоход.
При такой работе насадки регенераторов правой стороны охлаждаются, а насадки левой стороны нагреваются. В момент когда регенераторы правой стороны не в состоянии нагреть воздух и газ до нужной температуры, происходит автоматическое реверсирование пламени. Холодный воздух и газ направляются через хорошо нагретые левые регенераторы, а продукты сгорания уходят в правую сторону печи, нагревая остывшие правые регенераторы. Таким образом, подающая и отсасывающая головки мартеновской печи периодически изменяют функции при помощи переводных клапанов, а факел сгорающего топлива формируют то слева, то справа, поддерживая максимальную регенерацию тепла и избегая перегрева насадок регенераторов.
Газы из регенератора попадают сначала в шлаковик, а уже потом по вертикальному каналу в головку печи. Шлаковики служат для улавливания плавильной пыли и шлаковых частиц, уносимых продуктами сгорания из рабочего пространства, предохраняя насадки регенератора от засорения. Сечение шлаковиков больше сечения вертикальных каналов. Поэтому при попадании дымовых газов в шлаковики их скорость резко уменьшается и меняется направление движения. Это приводит к тому, что значительная часть плавильной пыли оседают в шлаковиках. При нагреве поступающих в печь газа и воздуха обеспечивается высокая температура факела (1800 — 1900 °C). Факел нагревает рабочее пространство печи и способствует окислению примесей шихты. Чем выше температура поступающих в печь газа и воздуха, тем выше температура факела и тем лучше работает печь. Однако можно добиться достаточно высокой температуры факела без предварительного подогрева газа и воздуха, обогащая воздух кислородом (вплоть до полной замены воздуха кислородом). Это приводит к уменьшению количества продуктов сгорания и уноса ими тепла и соответственно к повышению температуры. В этом случае регенераторы оказываются ненужными. Из рабочего пространства печи дымовые газы выходят с температурой 1650 – 1750 °C. Попадая в регенераторы, газы нагревают насадку до 1200 – 1250 °C и удаляются в дымоход.
По конструкции мартеновские печи делятся на:
- стационарные;
- качающиеся.
Стационарные печи получили наибольшее распространение.
Качающиеся печи преимущественно распространены в литейных цехах машиностроительных заводов, когда необходимо выпускать металл отдельными порциями или скачивать большое количество шлака.
В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:
- скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55 – 75%), скрапа и железной руды. Процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи;
- скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома и чушкового передельного чугуна (25 – 45%). Процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, где много металлолома.
Скрап-рудный процесс плавки стали в основной мартеновской печи.
Особенностью основного мартеновского процесса является то что он позволяет получать сталь с низким содержанием вредных примесей (фосфора, серы) из рядовых шихтовых материалов.
Плавку начинают с загрузки твердой составляющей шихты (железная руда, известняк, лом) с помощью завалочной машины. После загрузки твердой части шихты и прогрева ее, заливают жидкий чугун, который взаимодействует с железной рудой и скрапом. С этого момента начинается период плавления шихты, в результате которого за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна (кремний, фосфор, марганец и частично углерод).
Кремний окисляется и переходит в шлак почти полностью в период плавления под действием окислительной атмосферы, а также кислорода вводимого с железной рудой.
Фосфор окисляется одновременно с кремнием и марганцем, когда температура металла еще не высока.
Оксиды кремния (SiO2), фосфора (P2O5), марганца (MnO), кальция (CaO) образуют железисто-углеродистый шлак, способствующий удалению фосфора. При переработке обычного чугуна для понижения содержания фосфора в металле проводят однократное скачивание шлака. Если же перерабатывают фосфористый чугун, то скачивание проводят многократно.
После расплавления шихты, окисления значительной части примесей и разогрева металла начинается период кипения ванны. В печь загружают железную руду или продувают ванну кислородом. Углерод в металле интенсивно окисляется, образуя оксид углерода (CO), выделяющегося в виде газовых пузырей, и вызывая кипение мартеновской ванны. Этот процесс играет очень важную роль, так как выравнивание состава и температуры металла в мартеновской печи осуществляется за счет кипения ванны. При кипении происходит удаление газов из металла, всплывание и поглощение шлаком неметаллических включений, увеличивается поверхность раздела между шлаком и металлом, что способствует ускорению процессов удаления вредных примесей (фосфора, серы).
Ввиду высокой окисленности шлака, удаление серы из металла менее эффективно, чем фосфора. Для удаления серы наводят новый шлак, загружая известь с добавлением боксита или плавикового шпата для уменьшения вязкости шлака. Содержание CaO в шлаке возрастает, а FeO уменьшается, создаются условия для удаления из металла серы. Для получения стали с низким содержанием серы, проводят обработку металла внепечными методами в ковше.
В период кипения ванны интенсивно окисляется углерод. Поэтому при составлении шихты для плавки необходимо предусмотреть, чтобы в ванне к моменту расплавления содержание углерода было на 0,5 – 0,6% выше, чем требуется в готовой стали. Процесс кипения считают закончившимся, когда содержание углерода в металле соответствует заданному, а содержание фосфора минимально. После этого сталь раскисляют и после отбора контрольных проб выпускают в сталеразливочный ковш через отверстие в задней стенке печи.
Производство стали в мартеновских печах
4>
Мартеновский процесс (1864-1865, Франция). В период до семидесятых годов являлся основным способом производства стали. Способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла – стального скрапа. Вместимость печи составляет 200…900 т. Способ позволяет получать качественную сталь.
Мартеновская печь (рис.2.2.) по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное
топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.
Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11,
а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней – отверстие 9 для выпуска готовой стали.
Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут.
Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора 1.
Регенератор – камера, в которой размещена насадка – огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, предназначен для нагрева воздуха и газов.
Отходящие от печи газы имеют температуру 1500…1600 0C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 0C. Через один из регенераторов подают воздух, который проходя через насадку нагревается до 1200 0C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6.
Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли и направляются во второй регенератор.
Охлажд¨нные газы покидают печь через дымовую трубу 8. После охлаждения насадки правого регенератора переключают клапаны, и поток газов в печи изменяет направление.
Температура факела пламени достигает 1800 0C. Факел нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.
Рис.2.2. Схема мартеновской печи
Продолжительность плавки составляет 3…6 часов, для крупных печей – до 12 часов. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне пода. Отверстие плотно забивают малоспекающимися огнеупорными материалами, которые при выпуске плавки выбивают. Печи работают непрерывно, до остановки на капитальный ремонт – 400…600 плавок.
В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:
– скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25…45 % чушкового передельного чугуна, процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но много металлолома.
– скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55…75 %), скрапа и железной руды, процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.
Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плавки стали, в шлаке преобладают основные оксиды, то процесс называют основным
мартеновским процессом, а если кислые
– кислым
.
Наибольшее количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеровкой.
В печь загружают железную руду и известняк, а после подогрева подают скрап. После разогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун. В период плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор, марганец и, частично, углерод. Оксиды образуют шлак с высоким содержанием оксидов железа и марганца (железистый шлак). После этого проводят период «кипения» ванны: в печь загружают железную руду и продувают ванну подаваемым по трубам 3 кислородом. В это время отключают подачу в печь топлива и воздуха и удаляют шлак.
Для удаления серы наводят новый шлак, подавая на зеркало металла известь с добавлением боксита для уменьшения вязкости шлака. Содержание в шлаке возрастает, а уменьшается.
В период «кипения» углерод интенсивно окисляется, поэтому шихта должна содержать избыток углерода. На данном этапе металл доводится до заданного химического состава, из него удаляются газы и неметаллические включения.
Затем проводят раскисление металла в два этапа. Сначала раскисление идет путем окисления углерода металла, при одновременной подаче в ванну раскислителей – ферромарганца, ферросилиция, алюминия. Окончательное раскисление алюминием и ферросилицием осуществляется в ковше, при выпуске стали из печи. После отбора контрольных проб сталь выпускают в ковш.
В основных мартеновских печах выплавляют стали углеродистые конструкционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в плавильных электропечах.
В кислых мартеновских печах выплавляют качественные стали. Применяют шихту с низким содержанием серы и фосфора.
Стали содержат меньше водорода и кислорода, неметаллических включений. Следовательно, кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, е¨ используют для особо ответственных деталей: коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников.
Основными технико-экономическими показателями производства стали в мартеновских печах являются:
· производительность печи – съ¨м стали с 1м2 площади пода в сутки (т/м2 в сутки), в среднем составляет 10 т/м2; р
· расход топлива на 1т выплавляемой стали, в среднем составляет 80 кг/т.
С укрупнением печей увеличивается их экономическая эффективность.
Производство стали в кислородных конвертерах.
Кислородно-конвертерный процесс – выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.
Первые опыты в 1933-1934 – Мозговой.
В промышленных масштабах – в 1952-1953 на заводах в Линце и Донавице (Австрия) – получил название ЛД-процесс. В настоящее время способ является основным в массовом производстве стали.
Кислородный конвертер – сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом.
Вместимость конвертера – 130…350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360 0 для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.
Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит и плавиковый шпат для разжижения шлака.
Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах представлена на рис. 2.3.
Рис.2.3. Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах
После очередной плавки стали выпускное отверстие заделывают огнеупорной массой и осматривают футеровку, ремонтируют.
Перед плавкой конвертер наклоняют, с помощью завалочных машин загружают скрап рис. (2.3.а), заливают чугун при температуре 1250…1400 0C (рис. 2.3.б).
После этого конвертер поворачивают в рабочее положение (рис. 2.3.в), внутрь вводят охлаждаемую фурму и через не¨ подают кислород под давлением 0,9…1,4 МПа. Одновременно с началом продувки загружают известь, боксит, железную руду. Кислород проникает в металл, вызывает его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Под фурмой развивается температура 2400 0C. В зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо. Оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Растворенный кислород окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и их содержание падает. Происходит разогрев металла теплотой, выделяющейся при окислении.
Фосфор удаляется в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура невысока (содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,15 %). При повышенном содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает производительность конвертера.
Сера удаляется в течение всей плавки (содержание серы в чугуне должно быть до 0,07 %).
Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 2.3.г), где раскисляют осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, затем сливают шлак (рис. 2.3.д).
В кислородных конвертерах выплавляют стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные, а также низколегированные стали. Легирующие элементы в расплавленном виде вводят в ковш перед выпуском в него стали.
Плавка в конвертерах вместимостью 130…300 т заканчивается через 25…30 минут.
Производство стали в электропечах
Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами:
а) легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры тока;
б) можно получать высокую температуру металла,
в) возможность создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений.
Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей.
Различают дуговые и индукционные электропечи.
Дуговая плавильная печь.
Схема дуговой печи показана на рис. 3.1.
Рис.3.1. Схема дуговой плавильной печи
Дуговая печь питается трёхфазным переменным током. Имеет три цилиндрических электрода 9
из графитизированной массы, закреплённых в электрододержателях
8
, к которым подводится электрический ток по кабелям
7
. Между электродом и металлической шихтой
3
возникает электрическая дуга. Корпус печи имеет форму цилиндра. Снаружи он заключён в прочный стальной кожух
4
, внутри футерован основным или кислым кирпичом
1
. Плавильное пространство ограничено стенками
5
, подиной
12
и сводом
6.
Съёмный свод
6
имеет отверстия для электродов. В стенке корпуса рабочее окно
10
(для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке заслонкой. Готовую сталь выпускают через сливное отверстие со сливным желобом
2
. Печь опирается на секторы и имеет привод
11
для наклона в сторону рабочего окна или желоба. Печь загружают при снятом своде.
Вместимость печей составляет 0,5…400 тонн. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных – с кислой.
В основной дуговой печи осуществляется плавка двух видов:
а) на шихте из легированных отходов (методом переплава),
б) на углеродистой шихте (с окислением примесей).
Плавку на шихте из легированных отходов
ведут без окисления примесей. После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак, при необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического состава. Проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак измельченные ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Так выплавляют легированные стали из отходов машиностроительных заводов.
Плавку на углеродистой шихте
применяют для производства конструкционных сталей. В печь загружают шихту: стальной лом, чушковый передельный чугун, электродный бой или кокс, для науглероживания металлов и известь. Опускают электроды, включают ток. Шихта под действием электродов плавится, металл накапливается в подине печи. Во время плавления шихты кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляются железо, кремний, фосфор, марганец, частично, углерод. Оксид кальция из извести и оксид железа образуют основной железистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла. После нагрева до 1500…1540 0C загружают руду и известь, проводят период «кипения» металла, происходит дальнейшее окисление углерода. После прекращения кипения удаляют шлак. Затем приступают к удалению серы и раскислению металла заданного химического состава. Раскисление производят осаждением и диффузионным методом. Для определения химического состава металла берут пробы и при необходимости вводят в печь ферросплавы для получения заданного химического состава. Затем выполняют конечное раскисление алюминием и силикокальцием, выпускают сталь в ковш.
При выплавке легированных сталей в дуговых печах в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов.
В дуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали – конструкционные, инструментальные, жаростойкие и жаропрочные.
Индукционные тигельные плавильные печи
Выплавляют наиболее качественные коррозионно-стойкие, жаропрочные и другие стали и сплавы.
Вместимость от десятков килограммов до 30 тонн.
Схема индукционной тигельной печи представлена на рис 3.2.
Рис. 3.2. Схема индукционной тигельной печи
Печь состоит из водоохлаждаемого индуктора 3
, внутри которого находится тигель
4
(основные или кислые огнеупорные материалы) с металлической шихтой, через индуктор от генератора высокой частоты проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500…2000 Гц).
При пропускании тока через индуктор в металле 1
, находящемся в тигле, индуцируются мощные вихревые токи, что обеспечивает нагрев и плавление металла. Для уменьшения потерь тепла, печь имеет съ¨мный свод
2
.
Тигель изготавливают из кислых (кварцит) или основных (магнезитовый порошок) огнеупоров. Для выпуска плавки печь наклоняют в сторону сливного ж¨лоба.
Под действием электромагнитного поля индуктора при плавке происходит интенсивная циркуляция жидкого металла, что способствует ускорению химических реакций, получению однородного по химическому составу металла, быстрому всплыванию неметаллических включений, выравниванию температуры.
В индукционных печах выплавляют сталь и сплавы из легированных отходов методомпереплава
, или из чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов
методом сплавления
.
После расплавления шихты на поверхность металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов, защиты его от насыщения газами.
При плавке в кислых печах, после расплавления и удаления плавильного шлака, наводят шлак из боя стекла . Для окончательного раскисления перед выпуском металла в ковш вводят ферросилиций, ферромарганец и алюминий.
В основных печах раскисление проводят смесью из порошкообразной извести, кокса, ферросилиция, ферромарганца и алюминия.
В основных печах выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержанием марганца, титана, никеля, алюминия, а в печах с кислой футеровкой – конструкционные, легированные другими элементами стали.
В печах можно получать стали с незначительным содержанием углерода и безуглеродистые сплавы, так как нет науглероживающей среды.
При вакуумной индукционной плавке индуктор, тигель, дозатор шихты и изложницы, помещают в вакуумные камеры. Получают сплавы высокого качества с малым содержанием газов, неметаллических включений и сплавы, легированные любыми элементами.
Разливка стали
Из плавильных печей сталь выпускают в ковш, который мостовым краном переносят к месту разливки стали. Из ковша сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы машины для непрерывного литья заготовок. В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает и получают слитки, которые подвергаются прокатке, ковке.
Изложницы
– чугунные формы для изготовления слитков.
Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями.
Слитки с квадратным сечением переделывают на сортовой прокат: двутавровые балки, швеллеры, уголки. Слитки прямоугольного сечения – на листы. Слитки круглого сечения используются для изготовления труб, колёс. Слитки с многогранным сечением применяют для изготовления поковок.
Спокойные и кипящие углеродистые стали разливают в слитки массой до 25 тонн, легированные и высококачественные стали – в слитки массой 0,5…7 тонн, а некоторые сорта высоколегированных сталей – в слитки до нескольких килограммов.
Сталь разливают в изложницы сверху (рис. 3.3.а), снизу (сифоном) (рис.3.3.б) и на машинах непрерывного литья (рис.3.4).
Рис.3.3. Разливка стали в изложницы
а – сверху; б – снизу (сифоном)
В изложницы сверху сталь разливают непосредственно из ковша 1
. При этом исключается расход металла на литники, упрощается подготовка оборудования к разливке. К недостаткам следует отнести менее качественную поверхность слитков, из-за наличия пленок оксидов от брызг металла, затвердевающих на стенках изложницы.
Применяется для разливки углеродистых сталей.
При сифонной разливке
одновременно заполняются несколько изложниц (4…60). Изложницы устанавливаются на поддоне
6
, в центре которого располагается центровой литник
3,
футерованный огнеупорными трубками
4
, соединённый каналами
7
с изложницами. Жидкая сталь
2
из ковша
1
поступает в центровой литник и снизу плавно, без разбрызгивания наполняет изложницу
5
.
Поверхность слитка получается чистой, можно разливать большую массу металла одновременно в несколько изложниц.
Используют для легированных и высококачественных сталей.
Непрерывная разливка
стали состоит в том, что жидкую сталь из ковша
1
через промежуточное разливочное устройство
2
непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна – кристаллизатор
3
, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток
5
.
Перед заливкой металла в кристаллизатор вводят затравку – стальную штангу со сменной головкой, имеющей паз в виде ласточкиного хвоста, которая в начале заливки служит дном кристаллизатора. Вследствие интенсивного охлаждения жидкий металл у стенок кристаллизатора и на затравке затвердевает, образуется корка, соединяющая металл с затравкой. Затравка движется вниз при помощи тяговых роликов 6
, постепенно вытягивая затвердевающий слиток из кристаллизатора. После прохождения тяговых роликов
6
, затравку отделяют. Скорость вытягивания составляет в среднем 1 м/мин. Окончательное затвердевание в сердцевине происходит в результате вторичного охлаждения водой из брызгал
4
. Затем затвердевший слиток попадает в зону резки, где его разрезают газовым резаком
7,
на куски заданной длины. Слитки имеют плотное строение и мелкозернистую структуру, отсутствуют усадочные раковины.
Рис.3.4. Схема непрерывной разливки стали
Способы повышения качества стали
Улучшить качество металла можно уменьшением в нём вредных примесей, газов, неметаллических включений. Для повышения качества металла используют: обработку синтетическим шлаком, вакуумную дегазацию металла, электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), переплав металла в электронно-дуговых и плазменных печах и т. д.
Вакуумная дегазация
проводится для уменьшения содержания в металле газов и неметаллических включений.
Вакуумирование
стали проводят в ковше, при переливе из ковша в ковш, при заливке в изложницу.
Для вакуумирования в ковше ковш с жидкой сталью помещают в камеру, закрывающуюся герметичной крышкой. Вакуумными насосами создают разрежение до остаточного давления 0,267…0,667 кПа. При понижении давления из жидкой стали выделяются водород и азот. Всплывающие пузырьки газов захватывают неметаллические включения, в результате чего содержание их в стали снижается. Улучшаются прочность и пластичность стали.
Электрошлаковый переплав (ЭШП)
применяют для выплавки высококачественных сталей для подшипников, жаропрочны сталей.
Схема электрошлакового переплава представлена на рис.3.5.
Переплаву подвергается выплавленный в дуговой печи и прокатанный на пруток металл. Источником теплоты является шлаковая ванна, нагреваемая электрическим током. Электрический ток подводится к переплавляемому электроду 1
, погруженному в шлаковую ванну
2
, и к поддону
9
, установленному в водоохлаждаемом кристаллизаторе
7
, в котором находится затравка
8
. Выделяющаяся теплота нагревает ванну
2
до температуры свыше 1700?C и вызывает оплавление конца электрода. Капли жидкого металла
3
проходят через шлак и образуют под шлаковым слоем металлическую ванну
4
. Перенос капель металла через основной шлак способствует удалению из металла серы, неметаллических включений и газов. Металлическая ванна пополняется путём расплавления электрода, и под воздействием кристаллизатора она постепенно формируется в слиток 6. Содержание кислорода уменьшается в 1,5…2 раза, серы в 2…3 раза. Слиток отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством поверхности, Высокими механическими и эксплуатационными свойствами. Слитки получают круглого, квадратного и прямоугольного сечения, массой до 110 тонн.
Рис.3.5. Схема электрошлакового переплава
Вакуумно-дуговой переплав (ВДП)
применяют в целях удаления из металла газов и неметаллических включений.
Процесс осуществляется в вакуумно-дуговых печах с расходуемым электродом. Катод изготовляют механической обработкой слитка выплавляемого в электропечах или установках ЭШП.
Схема вакуумно-дугового переплава представлена на рис. 3.6.
Расходуемый электрод 3
закрепляют на водоохлаждаемом штоке
2
и помещают в корпус печи
1
и далее в медную водоохлаждаемую изложницу
6
. Из корпуса печи откачивают воздух до остаточного давления 0,00133 кПа. При подаче напряжения между расходуемым электродом
3
(катодом) и затравкой
8
(анодом) возникает дуга. Выделяющаяся теплота расплавляет конец электрода. Капли жидкого металла
4
, проходя зону дугового разряда дегазируются, заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток
7
. Дуга горит между электродом и жидким металлом
5
в верхней части слитка на протяжении всей плавки. Охлаждение слитка и разогрев жидкого металла создают условия для направленного затвердевания слитка. Следовательно, неметаллические включения сосредоточиваются в верхней части слитка, усадочная раковина мала.
Рис.3.6. Схема вакуумно-дугового переплава
Слиток характеризуется высокой равномерностью химического состава, повышенными механическими свойствами. Изготавливают детали турбин, двигателей, авиационных конструкций. Масса слитков достигает 50 тонн.
Производство цветных металлов
В различных отраслях промышленности применяются цветные металлы: медь, никель, цинк, свинец, алюминий, титан, олово, а также другие металлы и их сплавы. Во многих случаях свойства сплавов превосходят свойства чистых металлов.
Сплавы меди и цинка образуют большую группу различных латуней, имеющих более высокую прочность, чем чистая медь.
Сплавы меди с другими металлами (кроме цинка) называют бронзами.
В зависимости от удельного веса цветные металлы классифицируются как тяжелые цветные металлы (свинец, никель, медь и др.), так и легкие цветные металлы( алюминий, магний, титан).
Производство меди
Медь в природе находится в виде сернистых соединений , оксидов , гидрокарбонатов , углекислых соединений в составе сульфидных руд и самородной металлической меди.
Наиболее распространенные руды – медный колчедан и медный блеск, содержащие 1…2 % меди.
90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % — гидрометаллургическим.
Гидрометаллургический способ–
получение меди путём её выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора.
Получение меди пирометаллургическимспособом
состоит из обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования.
Обогащение
медных руд производится методом флотации и окислительного обжига.
Метод флотации
основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы. Позволяет получать медный концентрат, содержащий 10…35 % меди.
Медные руды и концентраты, содержащие большие количества серы, подвергаются окислительному обжигу
. В процессе нагрева концентрата или руды до 700…800 0C в присутствии кислорода воздуха сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое против исходного. Обжигают только бедные (с содержанием меди 8…25 %) концентраты, а богатые (25…35 % меди) плавят без обжига.
После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн
, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа . Штейн содержит 20…50 % меди, 20…40 % железа, 22…25 % серы, около 8 % кислорода и примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки 1450 0C.
Полученный медный штейн, с целью окисления сульфидов и железа, подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак, а серу – в . Тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций без подачи топлива. Температура в конвертере составляет 1200…1300?C. Таким образом, в конвертере получают черновую медь
, содержащую 98,4…99,4 % меди, 0,01…0,04 % железа, 0,02…0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.
Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей, проводят огневое
, а затем
электролитическое рафинирование
.
Сущность огневого рафинирования
черновой меди заключается в окислении примесей, имеющих большее сродство к кислороду, чем медь, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99…99,5%. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования.
Электролитическое рафинирование
проводят для получения чистой от примесей меди (99,95% ).
Электролиз проводят в ваннах, где анод изготавливают из меди огневого рафинирования, а катод – из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор (10…16%) и (10…16%).
При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди, осаждаясь на них слоем чистой меди.
Примеси осаждаются на дно ванны в виде шлака, который идёт на переработку с целью извлечения металлов.
Катоды выгружают через 5…12 дней, когда их масса достигнет 60…90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах.
Медь по чистоте подразделяется на марки: М0 (99,95% Cu), М1 (99,9%), М2(99,7%), М3 (99,5%), М4 (99%).
Производство титана
Титан – металл, элемент 4 группы Периодической системы Д.И.Менделеева. Плотность 4,5г/см3, Температура плавления 1665оС, кипения -3672 оС, прочность чистого титана на разрыв 20мПа, товарного 300-400мПа, конструкционных сплавов -120-140мПа. Титан взаимодействует с большинством элементов, что создает трудности при получении чистого титана, а с другой стороны, дает возможность получать большое количество разнообразных по составу и свойствам сплавов. Сочетание высокой прочности и высокой коррозионной стойкости делают титан одним из лучших конструкционных материалов (летательные аппараты, морские суда, химическое машиностроение). Несмотря на высокую стоимость его применение окупается продолжительностью службы изготовленного из него оборудования.
Содержание титана в земной коре составляет 0,61%. По распространенности среди металлов он занимает четвертое место после алюминия (8,13%), железа(5%) и магния (2,1%). Насчитывается около восьмидесяти минералов, в состав которых входит титан. Наиболее распространенным минералами являются ильменит (FeO.TiO2 – с содержанием 3-59%TiO2) и рутил (90-100%TiO2). Большинство титановых руд являются комплексными и наряду с титаном содержат ряд других ценных минералов, а поэтому руды нельзя использовать без обогащения. Наиболее часто используется флотация, а также магнитная сепарация, промывка и мокрое обогащение. В результате обогащения получают железо-титановые концентраты с содержанием двуокиси титана 42-63% и 18-35% железа, часть которого находится в закисной форме. Переработка этих концентратов связана с получением двуокиси титана, но и получение чугуна (стали). Основным сырьем для производства металлического титана являются титановые шлаки, получаемые в результате рудно-восстановительной плавки. На одну тонну титанового шлака получают от 0,25 до 0,7т чугуна. Технология производства титанового шлака и чугуна из железо-титановых концентратов включает в себя следующие основные переделы:
1. Подготовка шихты;
2. Восстановительная электроплавка;
3. Разделка и обработка продуктов плавки.
Выплавку титановых шлаков можно производить из порошковой, брикетированной и окатанной шихты. В последнем случае требуется измельчение исходных материалов. Поэтому используют порошковую или брикетированную шихту. Концентрат и восстановитель (антрацит) с заводского склада сырья поступает в траншеи или бункера шихтового отделения цеха, где и происходит
подготовка шихты для электроплавки. Подготовка включает следующие стадии:
-дробление и размол восстановителя,
-дозирование составляющих шихты, смешение,
-дозировка связующего и смешение с нагревом шихты,
-брикетирование на валковом прессе.
Восстановительная электроплавка производится в электродуговых руднотермических печах при температурах 1650-1750оС. Восстановление железа происходит при температурах 900-1050 оС. Наряду с восстановлением окислов железа при 1050 оС и выше происходит восстановление двуокиси титана до низших окислов:
3(Fe TiO2)+4C=3Fe+Ti3O5+4CO
2(FeO TiO2)+C=Fe+FtO 2TiO2+CO
Железо насыщается углеродом восстановителя и опускается на дно ванны, а оксиды титана(до 90%) с небольшим количеством оксидов Fe, Mn, Si, Ca, Mg, Al, Cr переходят в шлак. Чугун выпускают через 7-8 часов, а шлак через 3,5-4часа.
Полученный шлак используют для получения четыреххлористого титана, являющегося следующей стадией перед получением металлического титана.
Получения четыреххлористого титана
Хлорирование — это процесс, при котором хлор взаимодействует с окислами элементов, получаемые при этом хлориды имеют температуру плавления и кипения значительно ниже температур плавления и кипени окислов соответственных элементов. Это важное свойство хлоридов позволяет выделить те или иные полезные компаненты при более низких температурах и более простыми технологическими приемами. В процессе хлорирования окислы титаносодержащих минералов взаимодействуют с хлором и углеродом и переводятся в хлориды при температуре 600-1200 оС . Упрощенно можно представить химическую реакцию хлорирования двуокиси титана можно представить в виде:
TiO2+2COCl2=TiCL4+2CO2
Хлорирование может осуществляться в различных аппаратах:
-шахтных печах;
-в аппаратах с жидкой ванной из расплавленных хлоридов щелочных металлов;
-в аппаратах с псевдокипящим слоем.
Полученный в процессе хлорирования технический четыреххлористый титан содержит значительное количество растворенных и взвешанных примесей. Его очистку производят в несколько стадий в зависимости от химического состава примесей. Очистку проводят фильтрацией, вымораживанием, в ректификационных колоннах.
Восстановление четыреххлористого титана
Восстановление осуществляется в стальном реакторе магнием в атмосфере инертного газа (аргона или гелия). Магний загружают в реактор в жидком или твердом виде сразу в количестве, необходимого для всего процесса. Четыреххлористый титан подают в реактор непрерывно в течение всего процесса в жидком виде.
TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2
После восстановления в реакторе остается спекшийся блок реакционной массы, состоящей из титановой губки, пропитанной магнием и хлористым магнием. Блок прочно спаян со стенками реактора. Губка из реактора удаляется высверливанием на специальных станках, после чего она подвергается сепарации, дополнительной очистке и переплавке в дуговых вакуумных печах
Производство магния
Для получения магния наибольшее распространение получил электролитический способ, сущность которого заключается в получении чистых безводных солей магния, электролизе этих солей в расплавленном состоянии и рафинировании металлического магния.
Основным сырьем для получения магния являются: карналлит, магнезит, доломит, бишофит. Наибольшее количество магния получают из карналлита. Сначала карналлит обогащают и обезвоживают. Безводный карналлит используют для приготовления электролита.
Электролиз осуществляют в электролизере, футерованном шамотным кирпичом. Анодами служат графитовые пластины, а катодами – стальные пластины. Электролизер заполняют расплавленным электролитом состава 10 % , 45 % , 30 % , 15 % , с небольшими добавками и . Такой состав электролита необходим для понижения температуры его плавления (720 0С). Для электролитического разложения хлористого магния через электролит пропускают ток. В результате образуются ионы хлора, которые движутся к аноду. Ионы магния движутся к катоду и после разряда выделяются на поверхности, образуя капельки жидкого чернового магния. Магний имеет меньшую плотность, чем электролит, поэтому он всплывает на поверхность, откуда его периодически удаляют вакуумным ковшом.
Черновой магний содержит 5 % примесей, поэтому его рафинируют переплавкой с флюсами. Для этого черновой магний и флюс, состоящий из , нагревают в печи до температуры 700…750 0С и перемешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак. Затем печь охлаждают до температуры 670 0С и магний разливают в изложницы на чушки.
Заготовительное производство.
Необходимость экономии материальных ресурсов предъявляет высокие требования к рациональному выбору заготовок, к уровню их технологичности, в значительной мере опр
4>
Дата добавления: 2016-09-26; просмотров: 5011; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Узнать еще:
Кислый мартеновский процесс.
В настоящее время кислый мартеновский процесс имеет ограниченное применение в виду высоких требований к чистоте шихты. В кислой печи процесс ведут с кислым шлаком, поэтому удаление из металла серы и фосфора невозможно. Для ведения кислого процесса используют высококачественные древесно-угольные или коксовые чугуны, в которых содержание вредных примесей не превышает 0,025%.
Металлический лом, поступающий с других предприятий, переплавляют в основных печах для получения шихтовой заготовки, загружаемой вместо лома и полупродукта, когда металл заливают в кислую печь в жидком виде. Жидкий полупродукт выпускают из основной печи в ковш и затем переливают в кислую печь. Такой процесс называют дуплекс-процессом, так как в нем участвуют два агрегата – основная и кислая мартеновская печи.
Топливо при кислом процессе должно содержать минимальное количество серы. Стали, выплавляемые в кислых мартеновских печах, содержат меньше неметаллических включений, водорода и кислорода, чем выплавляемые в основной печи. Поэтому кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, и ее используют для особо ответственных деталей (коленчатых валов крупных двигателей, артиллерийских орудий, роторов мощных турбин).
Производство стали в двухванных сталеплавильных агрегатах.
Двухванные сталеплавильные агрегаты имеют две ванны, соединенные каналом для перехода из одной ванны в другую (рисунок 23). Принцип работы двухванной печи следующий. Когда в одной ванне после заливки чугуна ведут продувку металла кислородом, в другой производят завалку и подогревают твердую шихту отходящими из первой ванны газами. После выпуска металла из первой ванны проводят завалку шихты. Одновременно начинается продувка второй ванны кислородом. Топливо в двухванные агрегаты подается через топливно-кислородные горелки, установленные в своде и торцах печи. Если в шихте содержится жидкого чугуна больше 65%, то двухванная печь может работать без расхода топлива, так как количество физического тепла и тепла выделяющегося при окислении примесей чугуна, а также окисления СO до CO2 увеличивается. В этом случае двухванная печь становится аналогичной кислородному конвертеру.
Качество металла, производимого в двухванных агрегатах не отличается от качества мартеновской или кислородно-конвертерной стали. Технико-экономические показатели процесса в двухванных сталеплавильных агрегатах характеризуются:
- высокой производительностью;
- низким удельным расходом топлива и огнеупоров.
К основным недостаткам процесса, ограничивающим его широкое распространение, относятся:
- более высокий расход жидкого чугуна по сравнению с мартеновским скрап-рудным процессом;
- более высокий угар железа;
- ограниченность сортамента выплавляемого металла.
Технология
Периоды процесса получения стали в мартеновской печи длятся от пяти до восьми часов (при скоростном сталеварении — до 4,5—5,5 часа) и состоят из этапов:
- Плавление
. Плавление начинается ещё до окончания загрузки печи. Плавление стараются проводить при максимальной температуре, чтобы препятствовать растворению в металле газов и не допустить излишнего окисления. В этот период интенсивно окисляются кремний, марганец, железо, фосфор, образуется большое количество закиси железа F e O {displaystyle mathrm {FeO} } . - Окисление
. Происходит окисление углерода за счёт ранее образованного F e O {displaystyle mathrm {FeO} } . Формула реакции: C + F e O = C O + F e − Q {displaystyle mathrm {C+FeO=CO+Fe-Q} } . Образующийся угарный газ C O {displaystyle mathrm {CO} } приводит расплав в состояние кипения. В течение 2—3 часов доля углерода в расплаве уменьшается и становится ниже 2 %. - Раскисление
. Если к окончанию плавки в стали растворено большое количество F e O {displaystyle mathrm {FeO} } , это придаёт стали хрупкость в горячем состоянии — красноломкость. Для удаления кислорода сталь раскисляют ферросилицием, ферромарганцем или алюминием. Иногда для проверки раскалённый кусок стали подвергают ковке — при плохой раскисленности образуются трещины. - обогащая факел пламени в период завалки и расплавления шихтовых материалов;
- продувая через жидкую ванну в период выгорания углерода.
При необходимости, после раскисления вводят легирующие элементы: ферротитан, феррохром, высококремнистый ферросилиций, чистый никель и другие.
После окончания плавки сталь выпускают в ковш.
Для ускорения процесса и повышения производительности на 15—25 % используют кислород. Его вводят при плавке двумя способами:
